Orbit benda-benda di tata Surya. Kredit: abovetopsecret site
Pada suatu masa, ketika Sir
Isaac Newton sedang duduk di bawah pohon apel, sebuah apel jatuh ke
pangkuannya. Dari kejadian inilah muncul pemikiran tentang hakikat gravitasi
yang menjadi dasar dalam ilmu fisika. Newton kemudian menjadi orang pertama
yang mengemukakan hukum gaya gravitasi dan pengaruhnya pada gerak benda-benda.
Ia juga yang mengemukakan bahwa Bulan mengelilingi Bumi itu karena gaya yang
sama dengan gaya yang menyebabkan apel jatuh.
Menurut Newton, gaya gravitasi
makin lemah bila jarak kedua benda dijauhkan. Dan gaya gravitasi akan semakin besar
kalau jumlah materi yang dikandung suatu benda makin banyak
Benda yang Bergerak Melingkar
Sebuah benda ketika tidak mengalami gaya apapun akan bergerak lurus dengan
kecepatan tetap. Tapi benda akan bergerak melingkar jika ada gaya yang mengarah
ke pusat. Gaya ini yang kita kenal sebagai gaya sentripetal.
Contoh : batu diikat dengan
tali kemudian diayunkan maka batu itu akan berayun bergerak melingkar. Dalam
kasus ini gaya tegangan tali akan bertindak sebagai gaya sentripetal. Jika tali
diputus maka gaya melingkar tidak akan ada lagi dan batu akan melayang dengan
gerak lurus beraturan. tapi, gravitasi BUmi akan menariknya untuk jatuh.
Untuk kasus Bulan, gerak
melingkar Bulan karena padanya bekerja gaya tarik gravitasi Bumi. Dan untuk
kasus planet gerak melingkar terjadi karena pada planet bekerja gaya gravitasi
dari bintang induk. Untuk kasus Tata Surya gaya yang bekerja adalah gaya
gravitasi Matahari terhadap planet-planetnya.
Sejarah Pengukuran
Bagi orang Yunani kuno, lingkaran merupakan bentuk yang mulia. Perhitungan
secara ilmiah pertama kali dilakukan oleh Aristachrus dari Samos (310-230 BC).
Ia mencoba menghitung sudut Bulan-Bumi-Matahari dan mencari perbandingan jarak
dari Bumi-Matahari, dan Bumi-Bulan. Aristachrus juga merupakan orang pertama yang
menyimpulkan Bumi bergerak mengelilingi Matahari dalam lintasan berbentuk
lingkaran yang menjadi titik awal teori Heliosentris.
Teori heliosentris kemudian berkembang dan mulai dikenal ketika
Nicolaus Copernicus (1473-1543) secara terang-terangan menyatakan bahwa
Matahari merupakan pusat sistem Tata Surya, dan Bumi bergerak mengeliinginya
dalam orbit lingkaran. Untuk masalah orbit, data yang didapat Copernicus
memperlihatkan adanya indikasi penyimpangan kecepatan sudut orbit
planet-planet. Namun ia mempertahankan bentuk orbit lingkaran. Teori
heliosentris disampaikan Copernicus yang lahir tanggal 19 Februari 1473
dalam publikasinya yang berjudul De
Revolutionibus Orbium Coelestium kepada
Paus Pope III dan diterima oleh gereja.
Tapi dikemudian hari setelah
kematian Copernicus pandangan gereja berubah ketika pada akhir abad ke-16
filsuf Italy, Giordano Bruno, menyatakan semua bintang mirip dengan Matahari
dan masing-masing memiliki sistem planetnya yang dihuni oleh jenis manusia yang
berbeda. Pandangan inilah yang menyebabkan ia dibakar dan teori Heliosentris
dianggap berbahaya karena bertentangan dengan pandangan gereja yang menganggap
manusialah yang menjadi sentral di alam semesta.
Lahirnya Hukum Kepler
Walaupun Copernicus telah menerbitkan tulisannya tentang Teori Heliosentris,
tidak semua orang setuju dengannya. Salah satunya, Tycho Brahe (1546-1601) dari
Denmark yang mendukung teori matahari dan bulan mengelilingi bumi sementara
planet lainnya mengelilingi matahari. Tahun 1576, Brahe membangun sebuah
observatorium di pulau Hven, di laut Baltic dan melakukan penelitian disana
sampai kemudian ia pindah ke Praha pada tahun 1596.
Di Praha, Brahe menghabiskan
sisa hidupnya menyelesaikan tabel gerak planet dengan bantuan asistennya
Johannes Kepler (1571-1630). Setelah kematian Brahe, Kepler menelaah data yang
ditinggalkan Brahe dan menemukan bahwa orbit planet tidak sirkular melainkan
berbentuk elips dengan Matahari berada di titik fokus elips itu.
Kepler kemudian mengeluarkan tiga hukum gerak orbit yang dikenal sampai saat
ini yaitu ;
1.
Planet bergerak dalam orbit elips mengelilingi matahari sebagai
pusat sistem.
2.
Radius vektor menyapu luas yang sama dalam interval waktu yang
sama.
3.
Kuadrat kala edar planet mengelilingi matahari sebanding dengan
pangkat tiga jarak rata-rata dari matahari.
Kepler menuliskan pekerjaannya dalam sejumlah buku, diantaranya
adalah Epitome
of The Copernican Astronomy dan
segera menjadi bagian dari daftar Index
Librorum Prohibitorum yang
merupakan buku terlarang bagi umat Katolik. Dalam daftar ini juga terdapat
publikasi Copernicus, De
Revolutionibus Orbium Coelestium.
Apa itu Elips?
Elips merupakan tempat kedudukan dari titik-titik yang jumlah jaraknya ke titik
fokus adalah tetap.
Gambar 1: Titik Fokus Elips
a = setengah sumbu besar (semimajor
axis)
b = setengah sumbu kecil (semiminor axis)
ae = jarak titik focus ke pusat elips
Pada
Elips d1+d2 adalah
tetap
Jadi dimanapun sebuah titik di
lintasan elips jaraknya akan selalu tetap yakni:
d1 + d2 = tetap = 2a
Irisan kerucut. Kredit: sun.za
Orbit suatu benda mengitari
benda lain dalam orbit Kepler tidak hanya berupa elips, tetapi secara umum
orbit itu berupa irisan kerucut yaitu :
·
Berbentuk lingkaran: e = 0
·
Berbentuk elips: 0 < e < 1
·
Berbentuk parabola: e = 1
·
Berbentuk hiperbola: e > 1
e adalah nilai eksentrisitas
irisan kerucut yang juga dikenal sebagai eksntrisitas sebuah orbit.
Eksentrisitas merupakan parameter orbit untuk menentukan bentuk sebuah orbit
dan seberapa besar dia mengalami perubahan dari bentuk lingkaran dengan nilai
merentang dari 0 – 1 untuk menentukan bentuk lintasan orbit sebuah benda.
Kondisi lingkaran dengan e=0
adalah kondisi yang sangat ideal, yang berlaku pada sistem dua-benda tak
terganggu, (hanya meninjau interaksi dua benda saja), dengan massa yang berada
di pusat sistem jauh lebih dominan dibanding massa yang mengitarinya (dengan
kata lain, massa pusat sistem tepat berada di pusat lingkaran).
Akan tetapi kenyataannya, ada
lebih dari dua obyek yang memiliki massa yang berinteraksi pada sistem, seperti
Tata Surya, walaupun massa Matahari adalah 99% massa dari seluruh sistem Tata
Surya, akan tetapi tidak serta merta pengaruh gaya gravitasi massa planet bisa
saling mengabaikan. Oleh karena itu pusat massa sistem tidaklah berada tepat
pada pusat massa Matahari, dan demikian juga planet-planet tidak bergerak
dengan e = 0, akan tetapi dengan eksentrisitas yang sedikit lebih besar dari
nol, artinya cenderung mengikuti gerak elips, sebagaimana yang telah teramati
selama ini.
Pericenter & Apocenter
Dalam lintasan orbit berbentuk elips, tentu ada titik terjauh (apocenter) dan
titik terdekat (pericenter).
Pada orbit elips ini, kecepatan
tertinggi dicapai saat objek berada di pericenter dan kecepatan terendah
dicapai saat objek berada di apocenter. Orbit seperti ini mengikuti Hukum
Kepler.
Hukum Kepler adalah manifestasi
dari Hukum Newton mengenai gerak benda di bawah pengaruh gravitasi, untuk kasus
spesifik yaitu orbit elips. Akselerasi yaitu perubahan kecepatan yang dialami
sebuah objek bergantung pada besarnya gaya gravitasi yang dialami objek
tersebut. Besarnya gaya gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak
antara objek.
Saat sebuah planet bergerak
mendekati Matahari, ia akan merasakan gaya gravitasi yang semakin besar dan
oleh karena itu ia mengalami percepatan dan kecepatannya meningkat. Planet
tersebut memperoleh tambahan energi kinetik yaitu energi yang muncul karena
pergerakan suatu objek.
Saat mencapai perihelion (titik
terdekat dari Matahari), gabungan antara kecepatan maksimum planet dan tarikan
gaya gravitasi menuju Matahari melontarkan kembali planet tersebut menjauhi
Matahari. Meskipun bergerak menjauhi Matahari, tarikan gaya gravitasi dari
Matahari masih akan dirasakan dan planet akan mengalami perlambatan. Saat
ketika planet mencapai aphelion adalah saat ketika planet tersebut kembali
bergerak mendekati Matahari. Dengan demikian siklus ini berulang kembali.
Untuk kasus planet di bintang
lain, bentuk orbitnya juga berupa elips dan para ilmuwan bisa mengetahui bentuk
orbitnya dari nilai eksentrisitas si planet.